聯(lián)合機(jī)動(dòng)編隊(duì)合同戰(zhàn)術(shù)模型建模研究*

紀(jì)彥星

(91404部隊(duì)　秦皇島　066000)

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聯(lián)合機(jī)動(dòng)編隊(duì)合同戰(zhàn)術(shù)模型建模研究*

紀(jì)彥星

(91404部隊(duì)秦皇島066000)

摘要聯(lián)合機(jī)動(dòng)編隊(duì)作為多兵種合成編隊(duì)發(fā)展的高級(jí)階段,是海軍機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)力量的主要編成形式,采用合同戰(zhàn)術(shù)方法,可以使各機(jī)動(dòng)編隊(duì)協(xié)調(diào)一致地行動(dòng),發(fā)揮整體威力,大大提高作戰(zhàn)效能。論文采用面向?qū)ο蟮慕＿^(guò)程,從對(duì)作戰(zhàn)環(huán)境和作戰(zhàn)單元的分析工作著手,研究了聯(lián)合機(jī)動(dòng)編隊(duì)的作戰(zhàn)空間建模技術(shù),建立了聯(lián)合機(jī)動(dòng)編隊(duì)作戰(zhàn)指揮環(huán)境模型和作戰(zhàn)指揮智能體模型,通過(guò)仿真測(cè)試實(shí)例,對(duì)雷達(dá)模擬器進(jìn)行模型校驗(yàn),驗(yàn)證了模型的正確性。

關(guān)鍵詞聯(lián)合機(jī)動(dòng)編隊(duì); 合同戰(zhàn)術(shù); 戰(zhàn)術(shù)模型; 模型驗(yàn)證

United Battle Group Combined Tactics Model

JI Yanxing

(No. 91404 Troops of PLA, Qinhuangdao066000)

AbstractAs an advanced stage of joint formation, the united battle group is a main maneuver formation of navy. Using combined tactics methods makes each maneuver formations concerted and produce overall power, greatly improving operational effectiveness. In this paper, using object-oriented modeling process, the spatial modeling techniques are researched from the operational environment and operational unit analysis. Battle command model and agent model are established. The simulation tests of radar model prove the correctness of the model.

Key Wordsunited battle group, combined tactics, battle model, model test

Class NumberTP311

1引言

聯(lián)合機(jī)動(dòng)編隊(duì)通常由大中型水面艦艇、潛艇和航空兵編成,具有較強(qiáng)的預(yù)警偵察、指揮控制、一體攻防、綜合保障和整體防護(hù)能力。聯(lián)合機(jī)動(dòng)編隊(duì)作戰(zhàn)時(shí)采用的合同戰(zhàn)術(shù)是一種指導(dǎo)和進(jìn)行諸軍種、兵種合同戰(zhàn)斗的方法,可以使軍隊(duì)按照統(tǒng)一計(jì)劃協(xié)調(diào)一致地行動(dòng),發(fā)揮整體威力,合力打擊敵人。由于兵力數(shù)量大、協(xié)同對(duì)象多、組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜,實(shí)時(shí)性要求高、參與的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境瞬息萬(wàn)變,導(dǎo)致聯(lián)合機(jī)動(dòng)編隊(duì)在進(jìn)行合同戰(zhàn)術(shù)時(shí)具有諸多難點(diǎn),針對(duì)此困難,戰(zhàn)術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)是一種合理有效的解決方法。通過(guò)構(gòu)建仿真環(huán)境,進(jìn)行模擬推演論證與檢驗(yàn),輔助制定更加準(zhǔn)確合理的合同戰(zhàn)術(shù)[1]。

建模與仿真(M&S)技術(shù)是當(dāng)今世界前沿科學(xué)之一,美國(guó)非常重視作戰(zhàn)M&S的“超前智能較量”,并將其作為國(guó)防建設(shè)和軍事改革重大決策過(guò)程中必不可少的環(huán)節(jié)。在1997年度的“美國(guó)國(guó)防技術(shù)領(lǐng)域”中將“M&S”列為“有助于大大改善軍事能力的四大支柱:戰(zhàn)備、現(xiàn)代化、部隊(duì)結(jié)構(gòu)、持續(xù)能力的一項(xiàng)重要技術(shù)”。

在北約科學(xué)委員會(huì)的組織下,一直在從事M&S的開(kāi)發(fā)研究,北約國(guó)家還專門組織過(guò)諸如“國(guó)防過(guò)程的建模與分析”學(xué)術(shù)研討會(huì)等活動(dòng)。除美國(guó)之外,英、法、德、俄、意在M&S方面都有比較卓越的成果。日本幾年前就已經(jīng)擁有超強(qiáng)的計(jì)算機(jī)仿真核爆能力。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì),在北約戰(zhàn)區(qū)導(dǎo)彈防御作戰(zhàn)演習(xí)中,美國(guó)國(guó)防部把計(jì)算機(jī)仿真作為戰(zhàn)區(qū)導(dǎo)彈防御演習(xí)的主要工具之一。據(jù)稱,有關(guān)防御系統(tǒng)性能的60%~70%的數(shù)據(jù)要靠計(jì)算機(jī)仿真來(lái)獲得。除了美國(guó)之外,法國(guó)、英國(guó)和以色列等國(guó),出于發(fā)展彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)和反彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的不同需要,也都把開(kāi)展彈道導(dǎo)彈攻防仿真研究擺在十分重要的地位。仿真技術(shù)在國(guó)內(nèi)的民用領(lǐng)域已經(jīng)得到了大量應(yīng)用[2],各類設(shè)計(jì)驗(yàn)證與建模仿真工具被應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)的研制過(guò)程中,發(fā)揮了事半功倍的效果?！熬盼濉币詠?lái),國(guó)內(nèi)外很多軍事裝備的研制單位紛紛開(kāi)展了軍事裝備的仿真技術(shù)研究[3~7]。軍事裝備的仿真技術(shù)研究雖然取得了長(zhǎng)足的發(fā)展,但與目前海軍聯(lián)合機(jī)動(dòng)編隊(duì)合同戰(zhàn)術(shù)仿真試驗(yàn)的需求還存在著一定的差距,主要表現(xiàn)為仿真支持的規(guī)模不大、工具軟件支持不全、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不全等[3]。

本文通過(guò)理論分析與推導(dǎo),建立了聯(lián)合機(jī)動(dòng)編隊(duì)作戰(zhàn)指揮仿真模型,并提出了模型驗(yàn)證方法。結(jié)果表明,模型較為真實(shí)地仿真了雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的跟蹤和量測(cè)。

2作戰(zhàn)指揮模型建模研究

對(duì)聯(lián)合機(jī)動(dòng)編隊(duì)作戰(zhàn)指揮模型的建模,采用面向?qū)ο蟮慕＿^(guò)程,從對(duì)作戰(zhàn)環(huán)境和作戰(zhàn)單元的分析工作著手,分別建立相應(yīng)的作戰(zhàn)指揮環(huán)境模型和作戰(zhàn)指揮智能體模型,再確定作戰(zhàn)指揮模型中的各個(gè)參數(shù),形成對(duì)象系統(tǒng)模型[8]。整個(gè)建模過(guò)程的工作,可以依照?qǐng)D1所示的流程來(lái)進(jìn)行。

圖1　作戰(zhàn)指揮模型建模流程

作戰(zhàn)指揮模型負(fù)責(zé)各作戰(zhàn)平臺(tái)自身的作戰(zhàn)指揮模型計(jì)算,能夠?qū)崿F(xiàn)自主決策和作戰(zhàn)任務(wù)、目標(biāo)指示下達(dá)、自主攻擊等自主、自動(dòng)作戰(zhàn)過(guò)程。采用基于戰(zhàn)術(shù)規(guī)則和戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作的作戰(zhàn)指揮模型結(jié)構(gòu),提供人工指揮的接口函數(shù),能夠支持人的在環(huán)作戰(zhàn)指揮[9]。

水面艦艇編隊(duì)作戰(zhàn)指揮的模擬,是以單艦作戰(zhàn)為基礎(chǔ)。主要研究單艦之間進(jìn)行反艦導(dǎo)彈攻擊的作戰(zhàn)模型。假定紅、藍(lán)雙方各有一艘水面艦艇參加戰(zhàn)斗,每次只能向?qū)Ψ桨l(fā)射一枚反艦導(dǎo)彈,相隔一定時(shí)間后,發(fā)射另一枚,發(fā)射間隔時(shí)間紅、藍(lán)雙方相同。并規(guī)定:

x(n)為n時(shí)刻紅方的作戰(zhàn)能力,起始時(shí)刻為0;

y(n)為n時(shí)刻藍(lán)方的作戰(zhàn)能力,起始時(shí)刻為0;

a為藍(lán)方在單位時(shí)間內(nèi)單枚導(dǎo)彈對(duì)紅方的平均毀傷因子;

b為紅方在單位時(shí)間內(nèi)單枚導(dǎo)彈對(duì)藍(lán)方的平均毀傷因子;

x0為紅方的初始作戰(zhàn)能力;

y0為藍(lán)方的初始作戰(zhàn)能力;

Nx為紅方艦艇不還擊時(shí),藍(lán)方艦艇消滅紅軍艦艇所必須的導(dǎo)彈數(shù),設(shè)為正整數(shù);

Ny為藍(lán)方艦艇不還擊時(shí),紅方艦艇消滅藍(lán)軍艦艇所必須的導(dǎo)彈數(shù),設(shè)為正整數(shù);

紅方艦艇的作戰(zhàn)能力的大小與敵方艦艇的作戰(zhàn)能力以及對(duì)方反艦導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能a的大小有關(guān),具體地說(shuō),就是艦艇的作戰(zhàn)能力的降低速度與和a的乘積成正比。即:

x(n)-x(n+1)=ay(n)

(1)

y(n)-y(n+1)=bx(n)

(2)

首先來(lái)確定幾個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系。假設(shè)b=0,即藍(lán)方發(fā)射導(dǎo)彈而紅軍不反擊。因?yàn)樗{(lán)方在作戰(zhàn)能力不變的情況下發(fā)射Nx枚導(dǎo)彈后,紅方被消滅,此時(shí)被認(rèn)為失去作戰(zhàn)能力,因而x(Nx)=0。將式(1)進(jìn)行迭加有:

X(0)-X(Nx)=a*Nx*y(0)

(3)

因而可以得到:

(4)

同理可得:

(5)

顯然還可以得到:

(6)

(7)

顯然,平均毀傷因子與本艦的作戰(zhàn)能力成正比而與敵力領(lǐng)艇的作戰(zhàn)能力以及消滅敵人所需導(dǎo)彈數(shù)量成反比,這個(gè)結(jié)論是符合實(shí)際的。

求解上面的公式可得:

(8)

(9)

根據(jù)上述研究,單個(gè)驅(qū)逐艦對(duì)艦攻擊模型的類圖如圖2所示。

圖2　控制單艦反艦導(dǎo)彈攻擊的設(shè)計(jì)類圖

單艦反艦導(dǎo)彈攻擊的過(guò)程作戰(zhàn)實(shí)體行為邏輯關(guān)系及作戰(zhàn)實(shí)體的時(shí)序分析如圖3所示。

圖3　單艦反艦導(dǎo)彈攻擊過(guò)程實(shí)體時(shí)序關(guān)系

3模型的驗(yàn)證技術(shù)

只有經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的模型才是可信的,所以建模的最后一項(xiàng)工作就是模型驗(yàn)證。FDMS的驗(yàn)證應(yīng)該由三個(gè)方面的SME實(shí)施:應(yīng)用領(lǐng)域?qū)＜?、仿真技術(shù)專家和VV&A專家。在語(yǔ)法驗(yàn)證過(guò)程中,主要以仿真技術(shù)專家為核心、領(lǐng)域?qū)＜液蚔V&A專家為輔,重點(diǎn)檢查模型描述是否規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn),是否存在邏輯上的矛盾。在語(yǔ)義驗(yàn)證過(guò)程中,仿真技術(shù)專家把UML模型所表達(dá)的真實(shí)含義傳達(dá)給領(lǐng)域?qū)＜液蚔V&A專家,并且互相討論,重點(diǎn)檢查模型描述的情形是否違背了應(yīng)用領(lǐng)域的真實(shí)情形、是否采用某些VV&A方法可以檢查出模型的錯(cuò)誤。在一致性驗(yàn)證過(guò)程中,三類專家通力協(xié)作,重點(diǎn)檢查體系結(jié)構(gòu)、形式、接口等方面的一致性問(wèn)題。

目前的研究已經(jīng)對(duì)以雷達(dá)模擬器為例,在海戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中進(jìn)行了如下的仿真測(cè)試實(shí)例,對(duì)雷達(dá)模擬器進(jìn)行模型校驗(yàn)。仿真態(tài)勢(shì)如圖4所示。

圖4　仿真測(cè)試實(shí)例

如上圖所示,地圖比例尺為1∶400萬(wàn),雷達(dá)部署在圖中平臺(tái)位置處,平臺(tái)位于東經(jīng)115.7°,北緯20.3°,平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檎?航速12節(jié)。利用此雷達(dá)觀測(cè)圖中ID為1~4的飛機(jī)目標(biāo)。4個(gè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示,目標(biāo)1和目標(biāo)2相對(duì)于正北航向分別為-30°和30°,航速為;目標(biāo)3相對(duì)與正北航向?yàn)?0°,航速為;目標(biāo)4繞經(jīng)度為115.8°、緯度20.4°做勻速圓周運(yùn)動(dòng),半徑為40km。圖中藍(lán)色航跡為目標(biāo)真實(shí)運(yùn)動(dòng)航跡,紅色和黑色為雷達(dá)在兩次探測(cè)試驗(yàn)中的探測(cè)航跡。雷達(dá)的部分工作參數(shù)如表1所示。

表1　雷達(dá)工作參數(shù)表

下面的兩幅圖為雷達(dá)模擬器對(duì)目標(biāo)的距離和方位的測(cè)量結(jié)果。

圖5　雷達(dá)模擬器距離測(cè)量數(shù)據(jù)

圖6　雷達(dá)模擬器目標(biāo)方位測(cè)量數(shù)據(jù)

圖7、8為疊加了誤差測(cè)量模型后的距離和方位測(cè)量數(shù)據(jù)。

圖7　雷達(dá)模擬器疊加誤差模型距離測(cè)量數(shù)據(jù)

圖8　雷達(dá)模擬器疊加誤差模型方位測(cè)量數(shù)據(jù)

圖9、10為濾波效果前和濾波效果后的目標(biāo)距離測(cè)量數(shù)據(jù)。

圖9　雷達(dá)模擬器疊加濾波效果前模型效果

圖10　雷達(dá)模擬器疊加濾波效果后模型效果

根據(jù)測(cè)量結(jié)果可知,模型較為真實(shí)地仿真了雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的跟蹤和量測(cè),有一定的實(shí)用價(jià)值。

4結(jié)語(yǔ)

作戰(zhàn)指揮模型是聯(lián)合機(jī)動(dòng)編隊(duì)合同戰(zhàn)術(shù)仿真中的重要一環(huán),模型建立的準(zhǔn)確與否直接影響仿真的準(zhǔn)確性。本文采用面向?qū)ο蟮慕＿^(guò)程,從對(duì)作戰(zhàn)環(huán)境和作戰(zhàn)單元的分析工作著手,分別建立相應(yīng)的作戰(zhàn)指揮環(huán)境模型和作戰(zhàn)指揮智能體模型,再確定作戰(zhàn)指揮模型中的各個(gè)參數(shù),形成對(duì)象系統(tǒng)模型。在聯(lián)合機(jī)動(dòng)編隊(duì)作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中對(duì)雷達(dá)模擬器進(jìn)行模型校驗(yàn),仿真驗(yàn)證評(píng)估結(jié)果表明了模型的理論與實(shí)際的合理性。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 黃柯棣.系統(tǒng)仿真技術(shù)[M].長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué)出版社,1998.

HUANG Kedi. System Simulation Technology[M]. Changsha: National University of Defense Technology Press,1998.

[2] 羅玉臣,陳煒,陳云秋.海軍作戰(zhàn)模擬的模型體系設(shè)計(jì)[C]//中國(guó)造船工程學(xué)會(huì)電子技術(shù)學(xué)術(shù)委員會(huì)年會(huì)論文集,2006:377-379.

LUO Yuchen, CHEN Wei, CHEN Yunqiu. Naval Combat Simulation Model System Design[C]//Proceedings of the Annual Conference of China Shipbuilding Engineering Society,2006:377-379.

[3] 羅勤,陳煒,等.海戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)仿真中的兵力實(shí)體建模研究[C]//中國(guó)造船工程學(xué)會(huì)電子技術(shù)學(xué)術(shù)委員會(huì)年會(huì)論文集,2009:242-244.

LUO Qin, CHEN Wei, et al. Research on the Entity Modeling of Military Forces in the Battle Simulation of the Sea Battlefield[C]//Proceedings of the Annual Conference of China Shipbuilding Engineering Society,2009:242-244.

[4] 何漢明.基于角色的多智能體社會(huì)模型研究與應(yīng)用[D].西安:西北工業(yè)大學(xué),2006.

HE Hanming. Research and Application of Multi-agent Social Model Based on Characted[D]. Xi’an: Northwestern Polytechnical University,2006.

[5] Biddle, B. J. Role Theory: Expectations, Identities and Behaviors[M]. New York: Academic Press,1979.

[6] 王振,繆旭東.基于XML的作戰(zhàn)方案形式化描述[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2006,18(2):41-44.

WANG Zhen, MIU Xudong. Formal Description of Operational Plan Based on XML[J]. Journal of System Simulation,2006,18(2):41-44.

[7] 義君,劉忠,張維明.作戰(zhàn)計(jì)劃的可視化建模方法[J].火力與指揮控制,2006,31(4):46-49.

YI Jun, LIU Zhong, ZHANG Weiming. Research on Visualized Modelling Approach to Operational Plan[J]. Fire Control and Command Control,2006,31(4):46-49.

[8] 楊俊強(qiáng),杜佳.作戰(zhàn)計(jì)劃擬制中行動(dòng)方案的形式化建模[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2009,21(23):86-89.

YANG Junqiang, GUI Jia. Formal Modeling of Course of Action in Operation Planning[J]. Journal of System Simulation,2009,21(23):86-89.

[9] 杜強(qiáng)芳,楊明,王子才.建模與仿真資源庫(kù)系統(tǒng)的初探[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2003,15(2):161-170.

DU Qiangfang, YANG Ming, WANG Zicai. Introduction of Modeling and Simulation Resource Repository System[J]. Journalof System Simulation,2003,15(2):161-170.

[10] 張?jiān)?基于HLA-Agent的驅(qū)護(hù)艦編隊(duì)協(xié)同反潛仿真技術(shù)研究[D].大連:海軍大連艦艇學(xué)院,2008.

ZHANG Yun. Submarine Simulation Technology of a Destroyer Squadron Based on HLA-Agent[D]. Dalian: PLA Dalian Naval Academy,2008.

[11] 楊孟州,潘志庚,石教英.分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2004,17(7):1-3.

YANG Mengzhou, PAN Zhigeng, SHI Jiaoying. Architecture of Distributed Virtual Reality System[J]. Application Research of Computers,2004,17(7):1-3.

[12] 楊世幸,陽(yáng)東升,張維明,等.作戰(zhàn)使命分解與任務(wù)建模方法[J].火力與指揮控制,2009,34(8):24-29.YANG Shixing, YANG Dongsheng, ZHANG Weiming, et al. Research on Method of Mission Decomposion and Task Modeling[J]. Fire Control and Command Control,2009,34(8):24-29.

中圖分類號(hào)TP311.52

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.02.007

作者簡(jiǎn)介:紀(jì)彥星,男,高級(jí)工程師,研究方向:作戰(zhàn)系統(tǒng)試驗(yàn)技術(shù)。

*收稿日期:2015年8月9日,修回日期:2015年9月20日